Summary
Мы описываем процедуру обработки компьютерной томографии (КТ) в высокоточные, восстанавливаемые и недорогие процедурные тренажеры. Описаны процессы идентификации, экспорта, сегментации, моделирования и 3D-печати, а также проблемы и уроки, извлеченные в этом процессе.
Abstract
Описание процедурных задач тренеров включает их использование в качестве учебного инструмента для оттачивания технических навыков путем повторения и репетиции процедур в безопасной среде, прежде чем в конечном итоге выполнить процедуру на пациенте. Многие тренеры по процедурным задачам, доступные на сегодняшний день, страдают от нескольких недостатков, включая нереалистичную анатомию и тенденцию к разработке созданных пользователем «ориентиров» после того, как ткань тренера подвергается повторным манипуляциям, что потенциально приводит к неадекватному развитию психомоторных навыков. Чтобы исправить эти недостатки, был создан процесс для создания высокоточного процедурного тренажера, созданного из анатомии, полученной из компьютерной томографии (КТ), которая использует вездесущую технологию трехмерной (3D) печати и готовые товарные поставки.
Этот метод включает в себя создание 3D-печатной тканевой формы, захватывающей структуру ткани, окружающую интересующий скелетный элемент, чтобы заключить костную скелетную структуру, взвешенную внутри ткани, которая также напечатана на 3D-принтере. Смесь тканевой среды, которая приближается к ткани как в высокоточной геометрии, так и в плотности ткани, затем выливается в форму и дается сдаться. После того, как тренер был использован для отработки процедуры, такой как размещение внутрикостной линии, тканевые среды, плесень и кости восстанавливаются и могут быть повторно использованы для создания свежего тренажера, свободного от мест проколов и дефектов манипуляции, для использования в последующих тренировочных сессиях.
Introduction
Компетентность процедурных навыков ухода за пациентами является критически важным компонентом для развития стажеров в гражданском и военном здравоохранении 1,2 среды. Развитие процедурных навыков особенно важно для процедурно-интенсивных специальностей, таких как анестезиология3 и медицинский персонал на переднем крае. Целевые тренеры могут использоваться для репетиции многочисленных процедур с уровнями квалификации, варьирующимися от студента-медика первого курса или медицинского техника до старшего резидента или стипендиата. В то время как многие медицинские процедуры требуют значительной подготовки для завершения, задача, представленная здесь - размещение промежуточной (IO) линии - проста и требует меньше технических навыков. Успешное размещение линии IO может быть достигнуто после относительно короткого периода обучения. Использование симуляции во время медицинского обучения, которое включает в себя использование рабочих тренеров, признано инструментом для получения технических процедурных навыков путем повторения и репетиции клинической процедуры в безопасной, низкострессовой среде, прежде чем в конечном итоге выполнить процедуру на пациентах 2,4,5.
Понятно, что симуляционное обучение в среде медицинского образования стало широко распространенным и, по-видимому, является основой, несмотря на скудность данных о любом влиянии на результатылечения пациентов 6,7. Кроме того, последние публикации демонстрируют, что моделирование улучшает производительность команды и результаты лечения пациентов в результате улучшения динамики команды и принятия решений. Тем не менее, существует мало данных, свидетельствующих о том, что моделирование улучшает время или успешность выполнения критических, спасающих жизнь процедур 8,9, предполагая, что моделирование является сложным и многогранным в образовании поставщиков медицинских услуг. У пациентов, у которых стандартный внутривенный доступ невозможен или показан, размещение линии IO может быть использовано для быстрого достижения сосудистого доступа, требующего минимальных навыков. Своевременное и успешное выполнение этой процедуры имеет решающее значение, особенно в периоперационной среде или сценарии травмы 10,11,12. Поскольку размещение линии ввода-вывода является редко выполняемой процедурой в периоперационной области и может быть процедурой спасения жизни, обучение в неклинической среде имеет решающее значение. Анатомически точный тренер по задачам, специфичный для размещения линии IO, является идеальным инструментом для обеспечения предсказуемой частоты обучения и развития навыков для этой процедуры.
Несмотря на широкое использование, имеющиеся в настоящее время коммерческие инструкторы по задачам страдают от нескольких существенных недостатков. Во-первых, рабочие тренажеры, которые допускают несколько попыток процедуры, являются дорогостоящими не только для первоначальной покупки тренажера, но и для пополнения сменных частей, таких как силиконовые кожные пластыри. Результатом часто является нечастая замена деталей, оставляя заметные ориентиры, которые обеспечивают обучаемому не оптимальный опыт обучения; пациенты не будут приходить предварительно отмеченными, где следует делать процедуру. Другим недостатком является то, что высокая стоимость традиционных тренажеров может привести к ограниченному доступу пользователей, когда устройства «заблокированы» в защищенных местах хранения, чтобы предотвратить потерю или повреждение устройств. В результате требуется более строгое и менее доступное запланированное время практики, ограничение их использования, безусловно, может затруднить внеплановые тренировки. Наконец, большинство тренеров считаются низкоточными 5,13,14 и используют только репрезентативную анатомию, что потенциально приводит к неадекватному развитию психомоторных навыков или тренировочным шрамам. Тренажеры с низкой точностью также делают тщательную оценку приобретения навыков, мастерства и деградации очень сложной, поскольку обучение на устройстве с низкой точностью может не адекватно имитировать фактическую процедуру в реальном мире.
Репрезентативная анатомия также препятствует правильной оценке приобретения и овладения психомоторными навыками. Более того, оценка передачи психомоторных навыков между моделируемыми медицинскими средами для ухода за пациентами становится почти невозможной, если некоторые из психомоторных навыков не отражены в клинической задаче. Это приводит к предотвращению консенсуса в отношении способности медицинского моделирования и обучения влиять на результаты лечения пациентов. Чтобы преодолеть проблемы стоимости, анатомической точности и доступа, мы разработали недорогой, высокоточный тренажер для работы с линейными операциями ввода-вывода. Тренер задач разработан на основе компьютерной томографии реального пациента, что приводит к точной анатомии (рисунок 1). Используемые материалы вездесущи и просты в получении, с компонентами, которые относительно легко восстановить. По сравнению со многими другими коммерчески доступными тренажерами, скромная стоимость конструкции тренажера, описанного здесь, резко снижает желание изолировать тренажеры в менее доступном, защищенном месте и делает возможными множественные повторения без ведущих ориентиров.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ПРИМЕЧАНИЕ: Институциональный наблюдательный совет Медицинского центра Университета Небраски определил, что наше исследование не является исследованием на людях. Местный IRB получил этическое одобрение и отказ от информированного согласия. Полная анонимизация данных визуализации была выполнена перед анализом в соответствии с протоколом деидентификации больницы.
1. Данные
- Получите компьютерную томографию, отражающую анатомию, представляющую интерес для запланированного тренера. Будьте осторожны, чтобы принять во внимание ограничения рабочего объема используемого 3D-принтера и необходимые ориентиры для процедурных шагов.
- Если сканирование получено в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), преобразуйте его в формат Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NiFTi)15 (.nii).
2. Сегментация
- Используйте программное обеспечение 3D Slicer (http://www.slicer.org) для сегментации изображений КТ. Импортируйте файл NIfTi из шага 1.2 в 3D-срез.
- Выберите модуль Редактор сегментов , чтобы создать сегменты, необходимые для моделирования тренера.
- Добавьте один сегмент для 1) Костной и 2) Тканевой составляющих тренажера.
ПРИМЕЧАНИЕ: Разработка некоторых тренажеров, таких как те, которые используются для тренировки введения грудной трубки, может потребовать дополнительных сегментов. - Выберите сегмент 1) Кость. Используя пороговый эффект, измените диапазон интенсивности до тех пор, пока определенный диапазон «окна» не определит интересующий компонент кости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для сегментов кости обычный диапазон составляет от 100 до 175 HU (единицы Хаунсфилда) до доступного максимального значения, а для ткани, который обычно составляет -256 HU к доступному максимуму. - С помощью функции Threshold выделите компонент 1) Bone и примените его к сканированию с помощью команды Apply ( Применить .
- Используйте функцию Ножницы, чтобы удалить все области сканирования, не необходимые для создания тренажера задач. Используйте осторожность, чтобы убедиться, что пространство костного мозга остается пустым для тренажеров IO.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг является первым сокращением интересующего сегмента до желаемых размеров тренажера. Здесь следует учитывать ограничения по объему сборки используемого 3D-принтера; однако этот сегмент может быть дополнительно сокращен в разделе 3.
- Добавьте один сегмент для 1) Костной и 2) Тканевой составляющих тренажера.
- Повторите шаги 2.2.1-2.2.4 для 2) Тканевого компонента.
- Использование модуля Сегментации ; экспортировать каждый компонент в виде STL-файла.
3.3D Моделирование
- Используйте AutoDesk Meshmixer для дальнейшей обрезки 3D-сегментов и уменьшения разрешения каждого сегмента с точки зрения количества геометрических элементов для оптимальной производительности в Fusion360.
- Убедитесь, что импортированные STL-файлы имеют правильную нормальную ориентацию треугольника. Обеспечьте нормальные значения каждой точки треугольника в направлении внешней поверхности сетки. Если ориентация треугольника неправильная, переверните треугольник в нормальное положение, выполнив команду Выбрать | Изменить | Выберите все функции, а затем Выберите | Редактировать | Функция flip Normals .
- Устраните нежелательные структуры (например, нежелательные сегменты ткани или сосудистую систему, захваченные КТ из-за использования контраста) импортированных сегментов STL и уточните модели, необходимые для создания тренажера задач. Чтобы уточнить модель, удалив нежелательные структуры в сегментах, которые могли быть непреднамеренно включены в пороговый диапазон экспортируемого сегмента, используйте операцию Select , выберите треугольники на нежелательных структурах, а затем Edit | Выбросить.
- После версии 3.1.2 используйте | Инструмент Plane Cut для обрезки модели в рамках объема сборки 3D-принтера. Чтобы уменьшить вычислительные накладные расходы, возникающие из-за чрезмерного геометрического разрешения, уменьшите количество треугольников, используемых для определения модели, чтобы обеспечить оптимальную производительность в Fusion360. Нажмите « Выбрать», дважды щелкните в любом месте сетки, чтобы выбрать всю сетку, затем «Изменить | Уменьшить. Для сокращения целевого показателя сократите до бюджета треугольника, составляющего менее 10 000 лиц.
ПРИМЕЧАНИЕ: Принтер, используемый в настоящее время авторами, имеет максимальный объем сборки 250 x 210 x 210 мм; таким образом, модель была разрезана до максимальной длины длинной оси 220-230 мм, чтобы позволить пресс-форме вписаться в объем сборки принтера. Объем сборки принтера должен диктовать длину длинной оси, делая модель примерно на 20-30 мм короче. Геометрия может быть легко уменьшена до ~ 10K треугольников без потери клинически значимых деталей для разработки высокоточных тренажеров задач. - Устраняйте или уменьшайте отверстия и неровности поверхности с помощью инструмента «Выделение ». После выделения треугольников сетки вокруг дефекта используйте команду Select | Редактировать| Стирание и заполнение для улучшения поверхностных отверстий и неровностей. Экспортируйте и сохраняйте готовые модели с помощью файла типа STL.
ПРИМЕЧАНИЕ: Наружная поверхность костя-мишени для межкостной линии тренажеров требует полного закрытия; в противном случае расплавленные тканевые среды попадут в костное пространство и ухудшат работоспособность тренажера.
- Используйте AutoDesk Fusion360 и импортируйте модели костей и тканей, добавив платформу . STL-файлы в рабочую область в виде сетки с помощью | Команда «Вставить сетку ».
- Преобразуйте импортированные сетки в твердые частицы BRep, отключив временную шкалу Fusion360 и уменьшив количество треугольников в целевой сетке до <10 000.Выберите импортированное тело сетки и щелкните правой кнопкой мыши. Выберите параметр Сетка в BRep . После преобразования сеток в твердые части BReps возобновите временную шкалу Fusion360.
- Модифицируйте твердое тело, чтобы создать форму Task Trainer, разделив прямоугольное твердое тело вдоль длинной оси Tissue BRep.
ПРИМЕЧАНИЕ: Форма создается вокруг ткани BRep с использованием функции эскиза для построения куба или прямоугольного твердого тела, которое охватывает твердое вещество ткани. Размер пресс-формы должен быть изменен в соответствии с максимальным объемом сборки выбранного 3D-принтера. Поскольку пресс-форма разделена на две части, самый длинный напечатанный размер может не быть самым большим размером окончательной формы при их соединении. - Выберите 2-3 места для опорных штифтов и поместите предварительно разработанные компоненты сборочной группы, чтобы исправить кости тренажера. Убедитесь, что места, выбранные для опорных штифтов, имеют достаточную опорную структуру в кости вокруг головки штифта.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранная кость вокруг булавочной головки не обязательно должна быть идеально однородной, так как сборочная группа также содержит прочную цилиндрическую опорную структуру, которая будет сращена с костью. Эта структура адекватно поддерживает головку штифта и сохраняет правильное анатомическое расположение костей в тканевых средах. - Импортируйте и поместите костную пробку в открытое пространство костного мозга Bone BRep, чтобы предотвратить попадание тканевых сред в пространство костного мозга и предотвратить дренаж моделируемого костного мозга.
- Создайте отверстие (обычно 4-6 см в диаметре) через формы в пространстве, представленном твердым веществом Tissue BRep, чтобы позволить заливать жидкую тканевую среду в форму.
- После того, как компоненты предварительно спроектированных сборочных групп расположены для фиксации костей в пространстве, выполните функции Логического объединения , чтобы либо добавить, либо вырезать различные группы сборки в модели.
- Выполните зеркальное отображение объектов перед шагом 3.2.6, чтобы сделать тренажер задач для ipsilateral стороны. Повторите шаги 3.2.3-3.2.5 перед разделом 3.2.6.
- Экспортируйте конечные компоненты для печати. Выберите нужный текст в рабочей области и создайте STL-файл, щелкнув правой кнопкой мыши | Сохранить как STL.
4.3D Печать
- Используя Упрощение 3D, поместите STL-файл на кровать 3D-принтера, чтобы программа нарезки могла генерировать GCODE, необходимый для печати элемента. Печатайте компоненты с помощью полимолочной кислоты (PLA) 3D-принтера с помощью сопла 0,4 мм при температуре горячего конца 210 °C. Убедитесь, что в настройках используются 4 верхних и нижних слоя и 3 оболочки периметра.
- Ориентируйте кости вертикально, чтобы свести к минимуму необходимый вспомогательный материал в полости костного мозга. Печать с использованием плота, высота слоя 0,2 мм, заполнение 20% и полный вспомогательный материал (от печатного слоя и внутри печати). При печати тканевых форм ориентируйте компоненты формы поверхностью ткани вверх. Печать тканевых форм без плота, высотой слоя 0,3 мм, заполнением 15% и полным вспомогательным материалом.
- Расположите опорные штифты и другие компоненты, чтобы свести к минимуму материал поддержки — распечатайте все опорные детали штифтов с помощью плота, высотой слоя 0,2 мм и заполнением 20%. Печатайте резьбовые компоненты без опорного материала на пониженной скорости, чтобы максимизировать точность резьбовых структур.
- После выбора параметров каждого компонента подготовьте и экспортируйте файл GCODE, сгенерированный Simple 3D, на SD-карту. Используя Prusa i3 MK3, выберите сохраненный файл GCODE с SD-карты и распечатайте с помощью 1,75-мм нити носителя PLA 3D-принтера.
5. Сборка
- Подготовьте тканевую среду.
ПРИМЕЧАНИЕ: Текущий уровень мастерства обучаемого может диктовать, требуется ли непрозрачная или прозрачная тканевая среда. Прозрачная среда позволяет обучаемому визуально отслеживать свой прогресс во время введения IO и легче идентифицировать костные ориентиры, в то время как непрозрачная среда лучше имитирует фактический клинический опыт.- Измерьте следующие компоненты, которые будут использоваться для создания тканевых сред, и отложите (эти количества могут быть масштабированы по мере необходимости) 260 г неароматизированного желатина; при необходимости 140 г мелко измельченного волокна шелухи подорожника, со вкусом апельсина, без сахара (пропустите этот шаг для создания прозрачной среды); 42 г 4% мас./об.хлоргексидина.
ПРИМЕЧАНИЕ: Волокно шелухи подорожника может быть использовано для создания непрозрачной среды. Этот компонент следует добавлять сразу после желатина, если требуется непрозрачнаясреда 16. - Нагрейте 1000 мл воды (приемлем кран) до 85 °C. Добавьте воду в контейнер для смешивания в несколько раз больше, чем объем ингредиентов, например, в ведро объемом 18,9 л.
- Энергично смешивая раствор тканевой среды, добавьте желатин, волокно шелухи подорожника и раствор хлоргексидина в воду, чтобы по порядку, и подождите, прежде чем добавлять следующий ингредиент после того, как будет включен предыдущий.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не добавляйте клетчатку шелухи подорожника, если вы делаете прозрачную среду.
- Энергично смешивая раствор тканевой среды, добавьте желатин, волокно шелухи подорожника и раствор хлоргексидина в воду, чтобы по порядку, и подождите, прежде чем добавлять следующий ингредиент после того, как будет включен предыдущий.
- Нагревайте смесь на водяной бане при температуре 71 °C в течение как минимум 4 ч, чтобы пузырьки рассеялись из раствора. Поместите контейнер для смешивания непосредственно в ванну с горячей водой или переложите смесь в отдельный контейнер, например, в пластиковые пакеты для хранения.
- Подготовьте тканевую среду для заливки в собранную форму. Убедитесь, что смесь однородная и текучая. Поддерживайте температуру смеси на уровне 46 °C.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если тканевая среда не требуется немедленно, ее можно хранить при температуре 4 °C или -20 °C в контейнере для хранения до тех пор, пока это не понадобится.
- Измерьте следующие компоненты, которые будут использоваться для создания тканевых сред, и отложите (эти количества могут быть масштабированы по мере необходимости) 260 г неароматизированного желатина; при необходимости 140 г мелко измельченного волокна шелухи подорожника, со вкусом апельсина, без сахара (пропустите этот шаг для создания прозрачной среды); 42 г 4% мас./об.хлоргексидина.
- Приготовьте смоделированный раствор для костного мозга.
ПРИМЕЧАНИЕ: Смоделированный раствор для костного мозга может быть приготовлен заранее и храниться в закрытом контейнере при комнатной температуре до готовности к использованию.- Отмерьте и тщательно перемешайте 100 г прохладной воды (кран мелкий); 100 г ультразвукового геля; и 5 мл красного пищевого красителя (опционально, используется для улучшения моделирования). Убедитесь, что конечный продукт густой, но достаточно жидкий для быстрой передачи.
- Закрепите кость на дне формы и соберите форму.
- Распылите с каждой стороны внутренних поверхностей формы высвобождающим агентом без силикона, таким как антипригарный кулинарный спрей. Закрепите кость с помощью опорных штифтов для поддержания правильного положения в тканевом пространстве. Закрепите кости/штифты на дне формы.
- Выровняйте верхнюю часть формы с нижней частью и закрепите две половинки формы вместе. Убедитесь, что костная пробка находится в положении, чтобы предотвратить попадание тканевой среды в пространство костного мозга во время заливки.
- Расположите форму так, чтобы отверстие было обращено вверх, и залейте тканевую среду при температуре 46 °C в полость формы. Устраните любую утечку тканевой среды из плесени с помощью перевернутой канистры с воздушным пылесосом, непосредственно распыляя теплую тканевую среду канистрой, чтобы быстро охладить ее. Переложите заполненную форму в холодильник с температурой 4 °C в течение как минимум 6 ч или до тех пор, пока тканевая среда не установится.
- Разберите форму и снимите тренажер и опорные штифты. Удалите костную пробку, заполните пространство костного мозга имитацией «костного мозга», созданной в 5.2, и замените костную пробку. Поместите тренажеры в пластиковый пакет для хранения и храните сборку при температуре 4 °C или -20 °C до тех пор, пока это не понадобится для обучения.
6. Обучение задачам
- Извлеките тренажер из хранилища и дайте ему достичь комнатной температуры. Если это еще не сделано, добавьте смоделированный материал костного мозга из шага 5.2 в соответствии с инструкцией в 5.5.
ПРИМЕЧАНИЕ: Разрешение тренажеру нагреваться до комнатной температуры улучшает опыт моделирования. - Выполняйте тренинги по задачам тренеров. Проинструктируйте обучаемых поместить иглы IO (рисунок 2A) и аспират, смоделированный костный мозг (рисунок 2B) в соответствии с обычными шагами размещения линии IO.
- После тренировки разберите тренировочные тренажеры, чтобы восстановить ткани, среду и кости.
ПРИМЕЧАНИЕ: После манипуляции кости тренажера IO будут иметь отверстия, созданные путем вставки канюли линии IO. Эти отверстия могут быть либо заполнены PLA с помощью портативной ручки 3D-принтера, либо поочередно кости могут быть выброшены. - Повторно соберите и повторно используйте регенерированные материалы для последующего обучения в соответствии с разделом 5.В качестве альтернативы расплавьте тканевую среду, восстановите в соответствии с 5,1,4 и храните при температуре 4 °C или -20 °C, если это не требуется немедленно.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Следуя протоколу, моделирование рабочего тренера использовало компьютерную томографию обезличенного пациента. Сегментация изображений КТ использовала программное обеспечение 3D Slicer и Auto Meshmixer для 3D-моделирования. Для 3D-печати использовались как 3D Simplify, так и Prusa i3 MK3 (рисунок 1). Впоследствии мы завершили сборку 3D-печатных деталей, подготовили смесь тканевых сред и вылили смесь носителей в собранную форму тренажера. После периода обучения с инструктором по задачам тканевая среда была восстановлена и повторно использована в сборке свежих инструкторов.
Компьютерная томография левого коленного сустава пациента, используемая для 3D-моделирования, включала 6-7 см костей большеберцовой и малоберцовой костей ниже колена, 2-3 см бедренной кости выше колена и надколенника. Во время выполнения этого протокола артефакты, обнаруженные при КТ-сканировании в результате перекрытия между различными анатомическими сегментами, были вручную отброшены в Meshmixer после экспорта каждого сегмента в STL и выполнения операции «флип-нормалов». Сетки STL левой большеберцовой кости и ткани были модифицированы для уменьшения анатомической сложности поверхности полости костного мозга. Были созданы опорные структуры для фиксации бедренной кости, большеберцовой кости, малоберцовой кости и надколенника друг к другу. Поддерживающая «структура скобки» была добавлена в Fusion 360, чтобы помочь усилить тонкую малоберцовую структуру кости в большеберцовую кость, тем самым предотвращая отлом этой кости.
Структура формы состояла из прямоугольного твердого тела, разделенного на верхнюю и нижнюю структуру, и канала 2,5 мм для удержания силиконового пенного шнура по периметру контура сегмента ткани. Поддерживающие контактные структуры, каналы выравнивания штифтов и приемник костной пробки были добавлены к структурам кости и формы путем импорта их применимых структур в модель (рисунок 3). Форма была спроектирована таким образом, что двух 41 мм групп сборки опорных штифтов было бы достаточно для правильной поддержки и приостановки костных структур в полости ткани. Отверстие, сделанное для обнажения полости ткани, облегчало заливку тканевой среды путем разрезания цилиндрической структуры тела с передней части структуры формы.
После завершения работы над плесенью и костными структурами в Fusion 360, следующие четыре . Сегменты STL были созданы путем экспорта модели: 1) Кости, 2) Нижняя коробка пресс-формы, 3) Верхняя коробка пресс-формы и 4) Фурнитура модели (2 x 41 мм Поддерживающих штифтов, 2x Поддерживающих штифтов и 1x Костяная пробка). Затем четыре сегмента STL были импортированы в Simplify 3D, и для этих сегментов были сгенерированы репрезентативные файлы GCODE для печати с использованием сопла 0,4 мм и высотой слоя 0,3 мм со скоростью печати 100 мм / с. В таблице 1 перечислены сроки печати и оценки потребностей в материале нити PLA с использованием настроек, упомянутых ранее, когда все сегменты были напечатаны на оригинальных принтерах Prusa MK3. Быстрое включение компонентов тканевой среды (желатина) имеет важное значение для достижения стабильного и однородного конечного продукта. Количество используемой тканевой среды варьируется в зависимости от модели собранного тренажера. Пример конструкции и фактических объемов тканевой среды, используемой в модели Task Trainer вставки большеберцовой кости, приведен в таблице 2.
Чтобы снять форму тренажера, компрессионные устройства были ослаблены, верхняя и нижняя части формы были разделены, а опорные штифты 2 x 41 мм были повернуты и удалены из костей. Затем полость костного мозга заполняли имитированным раствором костного мозга, и надежно вставляли костную пробку. Затем тренер последней задачи был сфотографирован с помощью компьютерной томографии для измерения анатомических ориентиров и сегментов. Результаты демонстрируют высокоточное размещение линии ввода-вывода тренера задач (рисунок 4). Затем недавно отлитый тренажер помещался в сумку с замком на молнии, возвращался в холодильник и хранился для использования в будущей тренировке.
Были собраны прозрачные и непрозрачные инструкторы по задачам (рисунок 5) для учебных занятий по размещению линий ввода-вывода. В общей сложности 40 инструкторов (20 большеберцовой кости и 20 плечевых) были использованы во время полудневного тренинга по размещению линии IO, предлагаемого отделению анестезиологии в нашем учреждении. В этом тренинге приняли участие как преподаватели, так и стажеры. У каждого участника было 15 минут практического взаимодействия как с тренерами (большеберцовая кость и плечевая кость), так и с оборудованием, необходимым для выполнения размещения линии IO. Сразу же после этого были собраны предварительные данные о преимуществах и недостатках инструкторов по задачам и улучшениях для инструкторов.
Преимущества, выявленные участниками, специфичными для использования тренажера, включали: а) высокий уровень анатомического сходства, б) способность находить анатомические ориентиры, в) тактильное ощущение, напоминающее ткань, г) воспроизводимость практикуемой процедуры, д) способность аспирировать костный мозг для обеспечения обратной связи при выполнении задачи и е) соответствующую тактильную обратную связь при сверлении в кости. Способность восстанавливать и повторно использовать целевой тренажер и низкая стоимость тренажера были важными особенностями, выявленными участниками. Кроме того, преподаватели и стажеры предложили добавить слой кожи или ткани, чтобы он больше напоминал тактильную обратную связь кожи и увеличивал длину конечностей. После тренировки тканевая среда была восстановлена и повторно использована (рисунок 1).
Рисунок 1: Блок-схема, изображающая процесс создания тренажера задач внутрикостного размещения линий. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Размещение внутрикостной линии с помощью тренажера большеберцовой кости выполняется с использованием тренажера с непрозрачной тканевой средой. (A) Сверление в кости с помощью коммерчески доступной дрели для размещения IO. (B) Стремление к костному мозгу при успешном размещении линии IO. Аббревиатура: IO = внутрикостная. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: 3D-спроектированные и напечатанные на 3D-принтере компоненты, составляющие тренажер большеберцовой кости. (A) 3D-разработанная большеберцовая кость; (B) 3D-печатная большеберцовая кость; (C) 3D-форма и ткань, окружающая большеберцовую кость и штифты; (D) 3D-печатная форма ткани, окружающей большеберцовую кость и булавки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Непрозрачные и прозрачные тканевые среды позволяют настраивать тренировку. (A) и (C) представляют собой тренажер плечевой кости и большеберцовой кости, выполненный из непрозрачной тканевой среды. (B) и (D) представляют собой тренажер плечевой кости и большеберцовой кости, выполненный с использованием прозрачной среды. Обратите внимание на видимость скелетных структур с прозрачной тканевой средой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Анатомические расстояния аналогичны между данными КТ-сканирования, используемыми для создания тренажера задач, и полностью собранным тренажером для размещения плечевой кости IO. (A) Толщина кости (мм), (B) глубина кожи (мм) и (C) борозда сухожилия (мм) из данных КТ анатомически похожи на (D) Толщину кости (мм), (E) глубину кожи (мм), и (F) сухожильная бороздка при КТ полностью собранных тренажеров плечевой кости. Сокращения: КТ = компьютерная томография; IO = внутрикостный. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Структура | Приблизительное время печати (ч) | Потребности НОАК в нитях (сметные, в g) | Стоимость материала (долларов) |
| Верхняя часть коробки | 32 | 800 | 16.00 |
| Нижняя часть коробки | 17 | 450 | 9.00 |
| Костяк | 9 | 200 | 4.00 |
| Скобяные изделия | 2 | 16 | 0.32 |
Таблица 1:Перечень времени и стоимости каждого требуемого компонента.
| Структура | Объем (л) | Ориентировочная стоимость |
| Тканевая полость | 2.06 л | н/д |
| Структура кости | 0.313 л | н/д |
| Тканевая полость – структура кости | 1.747 л | $35 (подлежит возврату) |
| Полость костного мозга | 0.075 л | 0,25 долл. |
Таблица 2: Объемы тканевых сред.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом протоколе мы подробно описываем процесс разработки 3D-тренера задач для обучения редко выполняемой и спасительной процедуре размещения линии ввода-вывода. Этот самоуправляемый протокол использует 3D-печать для создания основной части структур модели, в то время как остальные компоненты, используемые для сборки тренажера задач, являются вездесущими, легко доступными и нетоксичными материалами, которые могут быть восстановлены и повторно использованы. 3D-тренажер является недорогим и требует минимального опыта для создания и сборки. Мы успешно использовали наш 3D IO line placement task trainer в учебных сессиях UNMC Department of Anesthesiology, которые включали демонстрацию и практическую практику преподавателей и стажеров. Технико-экономические данные, собранные во время обучения, показали, что участники согласились с тем, что инструкторы по задачам имели высокую степень анатомической точности к фактической анатомии пациента, и они были дополнительно удовлетворены тактильной обратной связью устройства.
Критические этапы в производстве тренажера были разделены на два раздела: 3D-проектирование и изготовление; сборка инструктора задач. При создании 3D-моделей, используемых для формирования тренеров задач, адекватная сегментация имела решающее значение. Без соблюдения анатомической точности конечный продукт может быть неправильным. Пороговая сегментация требует внимания к области интересов тренера задач, чтобы убедиться, что детали поверхности присутствуют, чтобы придать моделям правильную форму и толщину. Толщина большеберцовой кости и плечевой кости особенно важна для обеспечения достаточной тактильной обратной связи во время моделирования размещения линии ввода-вывода. Процесс сегментации тканевых и костных компонентов может быть невероятно трудоемким, поскольку компьютерная томография часто использует йодированные контрастные вещества, которые имеют перекрывающиеся диапазоны HU с диапазонами кости. Таким образом, анатомические структуры, пронизанные йодированным контрастом, могут быть неправильно включены в костные сегменты.
Соответствующая подготовка и хранение тканевых сред имеют решающее значение. Соблюдение температур, предусмотренных протоколом, необходимо для предотвращения повреждения 3D-печатных структур и обеспечения максимальной долговечности тканевых сред. Примечательно, что тканевые среды должны оставаться холодными или замороженными и покрытыми пластиком, когда они не используются для предотвращения роста микробов и обезвоживания. Доступность и точность компьютерной томографии пациента может наложить ограничения на создание тренажера задач линии ввода-вывода. По-видимому, существуют ограничения на создание моделей в отношении требований к 3D-печати. В процессе 3D-печати слои термопластика наносятся поверх предыдущих слоев или опорного материала. Некоторые модели и предлагаемые тренажеры, созданные в результате этого процесса, могут превышать пределы размера 3D-принтера и требуют изменения размера принтера или компонентов, чтобы обеспечить печать, которая сохраняет критические аспекты тренажера (например, пространство костного мозга для моделей ввода-вывода). Другие форматы, подходящие для создания тренажера, включают магнитно-резонансную томографию. Однако модальность визуализации отображает различные типы данных, требующие модификации этого протокола.
Этот тренажер для размещения задач io line имеет несколько инновационных функций, в том числе более низкую стоимость по сравнению с другими тренерами задач и возможность настраивать тренажер задач для различных анатомических участков (плечевая и большеберцовая кость) и различных анатомий, включая мужскую или женскую, а также высокий и низкий индекс массы тела. Кроме того, смесь тканевых сред может быть приготовлена в различных помутнениях, что позволяет при желании проводить различные уровни визуализации скелетных структур или ориентиров. Учитывая его анатомическую точность и многоразовый характер его подкомпонентов, этот инструктор предоставляет уникальные возможности обучения медицинским процедурам и симуляции исследований, включая перенос процедурных навыков из симуляционной или учебной среды в тестовую или клиническую среду. Высокая точность и низкая стоимость этого инструктора по задачам делают его отличным выбором для оценки приобретения процедурных навыков и деградации у стажеров и поставщиков медицинских услуг. Кроме того, превосходная анатомическая точность тренажера дает возможность оценить влияние эргономики на тренировочные рубцы и деградацию структуры тренажера, что является быстро развивающейся темой, представляющей интерес в этой области17. В целом, использование этого инструмента может способствовать лучшему пониманию лучших практик в медицинском моделировании18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Финансирование этого проекта осуществлялось исключительно за счет институциональных или ведомственных ресурсов.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer filament, poly-lactic acid (PLA), 1.75 mm | N/A / Hatchbox | Base for 3D printing molds, bone structures, and bone / mold hardware | |
| 3D printer, Original Prusa i3 MK3 | Prusa | To print molds, bone structures, and bone / mold hardware | |
| bolts, 1/4”, flat / countersunk or round head, various lengths | N/A | Hardware used to hold mold casing halves together during casting | |
| Bucket, 5 gallon, plastic | N/A | To hold tissue media during media preparation | |
| chlorhexidine, 4% solution w/v | Animicrobial additive for tissue media | ||
| drill, household 3/8’ chuck | N/A | To stir tissue media during media preparation | |
| food coloring, red (optional) | N/A | Coloring additive for simulated bone marrow | |
| gelatin, unflavored | Knox | Base for tissue media | |
| hex nuts, 1/4” | N/A | Hardware used to hold mold casing halves together during casting | |
| Non-stick cooking spray | N/A | Mold releasing agent | |
| plastic bags, ziplock | Ziplock | To store tissue media | |
| psyllium husk fiber, finely ground, orange flavored, sugar free (optional) | Procter & Gamble | Metamucil | Opacity / Echogenicity additive for tissue media |
| screwdriver, flat / Phillips (matching bolt hardware) | N/A | To tighten mold casing hardware | |
| silicone gasket cord stock, 3 mm, round, various lengths | N/A | Gasket media for mold casings | |
| spray adhesive, Super 77 (optional) | 3M | Agent used to improve bed adhesion during 3D printing | |
| stirring paddle / rod | To stir tissue media during media preparation | ||
| turkey baster, household, 60 mL | N/A | To inject simulated bone marrow into bone marrow cavity | |
| ultrasound gel | Base for simulated bone marrow | ||
| water, tap | Used in both tissue media and simulated bone marrow |
References
- Farrow, D. R. Reducing the risks of military aircrew training through simulation technology. Performance and Instruction. 21 (2), 13-18 (1982).
- Lateef, F. Simulation-based learning: Just like the real thing. Journal of Emergencies, Trauma, Shock. 3 (4), 348-352 (2010).
- Gaba, D. M. Crisis resource management and teamwork training in anaesthesia. British Journal of Anaesthesia. 105 (1), 3-6 (2010).
- Al-Elq, A. H. Simulation-based medical teaching and learning. Journal of Family & Community Medicine. 17 (1), 35-40 (2010).
- Hays, R. T., Singer, M. J. Simulation fidelity in training system design: Bridging the gap between reality and training. , Springer Science & Business Media. (2012).
- Green, M., Tariq, R., Green, P. Improving patient safety through simulation training in anesthesiology: Where are we. Anesthesiology Research and Practice. , 4237523 (2016).
- Olympio, M. A.
- Murphy, M., et al. Simulation-based multidisciplinary team training decreases time to critical operations for trauma patients. Injury. 49 (5), 953-958 (2018).
- Jensen, A. R., et al. Simulation-based training is associated with lower risk-adjusted mortality in ACS pediatric TQIP centers. Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 87 (4), 841-848 (2019).
- Gupta, A., Peckler, B., Schoken, D. Introduction of hi-fidelity simulation techniques as an ideal teaching tool for upcoming emergency medicine and trauma residency programs in India. Journal of Emergencies, Trauma, and Shock. 1 (1), 15-18 (2008).
- Risser, D. T., et al. The potential for improved teamwork to reduce medical errors in the emergency department. Annals of Emergency Medicine. 34 (3), 373-383 (1999).
- Shapiro, M. J., et al. Simulation based teamwork training for emergency department staff: Does it improve clinical team performance when added to an existing didactic teamwork curriculum. Quality and Safety in Health Care. 13 (6), 417-421 (2004).
- Schebesta, K., et al. Degrees of reality: Airway anatomy of high-fidelity human patient simulators and airway trainers. Anesthesiology. 116 (6), 1204-1209 (2012).
- Crofts, J. F., et al. Training for shoulder dystocia: A trial of simulation using low-fidelity and high-fidelity mannequins. Obstetrics and Gynecology. 108 (6), 1477-1485 (2006).
- Cox, R. W., et al. A (sort of) new image data format standard: NiFTI-1. 10th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping. , 22 (2004).
- Bude, R., Adler, R. An easily made, low-cost, tissue-like ultrasound phantom material. Journal of Clinical Ultrasound. 23 (4), 271-273 (1995).
- Fisher, J., et al. Clinical skills temporal degradation assessment in undergraduate medical education. Journal of Advances in Medical Education & Professionalism. 6 (1), 1-5 (2018).
- Buzink, S. N., Goossens, R. H., Schoon, E. J., de Ridder, H., Jakimowicz, J. J. Do basic psychomotor skills transfer between different image-based procedures. World Journal of Surgery. 34 (5), 933-940 (2010).
